Vai al contenuto principale
Coronavirus: aggiornamenti per la comunità universitaria / Coronavirus: updates for UniTo Community
Oggetto:
Oggetto:

Metodologie di caratterizzazione dei materiali con laboratorio

Oggetto:

Material characterization methods

Oggetto:

Anno accademico 2016/2017

Codice dell'attività didattica
MFN1266
Docenti
Prof. Sandro Uccirati (Titolare del corso)
Dott. Federico Picollo (Titolare del corso)
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Anno
2° anno
Periodo didattico
Annuale
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
8
SSD dell'attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Frequenza alle lezioni facoltativa. Frequenza al laboratorio obbligatoria
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Matematica
Fisica 1 con laboratorio
Fisica 2 con laboratorio
Chimica Fisica II
Per la frequenza del laboratorio è necessario conoscere i protocolli di misura e la strumentazione, illustrate nelle lezioni propedeutiche.
Propedeutico a
Corsi del terzo anno per i due indirizzi
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

L’insegnamento si propone di fornire agli studenti alcuni concetti fondamentali delle statistiche classiche e quantistiche, alcune applicazioni della meccanica quantistica, della fisica atomica e cenni sui fondamenti di fisica nucleare, al fine di fornire le basi per una adeguata comprensione di alcune tecniche e della relativa strumentazione per la caratterizzazione fisica dei materiali.

L’insegnamento offre altresì agli studenti la possibilità di effettuare misurazioni volte alla caratterizzazione dei materiali introdotte nelle lezioni frontali e di analizzare i dati sperimentali con strumenti informatici dedicati.

 

The teaching is aimed to introduce the basic concepts of quantum and classical statistics, some important applications of quantum mechanics, of atomic and nuclear physics, in order to provide the fundamentals to understand some important experimental methodologies and the relevant instrumentation for the physical characterization of materials.
The teaching gives the students the opportunity to use advanced instrumentation for material characterization, whose methodologies are introduced in preliminary lectures, and to analy<e experimental data with suitable informatics tools.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione:
-Conoscenza adeguata della natura corpuscolare della luce, della struttura dell’atomo e di concetti fondamentali della fisica del nucleo perla comprensione di alcune tecniche sperimentali per la caratterizzazione dei materiali.
- comprensione delle modalità di funzionamento di strumentazione di laboratorio e delle relative tecniche sperimentali per la caratterizzazione dei materiali;
- Acquisizione del metodo sperimentale per effettuare correttamente misurazioni e di metodologie di analisi dei dati per trarre dalle misure le informazioni necessarie per la caratterizzazione dei materiali.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
- capacità di comprendere e padroneggiare i modelli fisici fondamentali
per l'interpretazione dei fenomeni su scala atomica;
- capacità di valutare gli ordini di grandezza, di svolgere calcoli elementari e di risolvere semplici problemi riguardanti le proprietà dei materiali;
- capacità di effettuare misure di laboratorio con l'utilizzo di strumentazione moderna seguendo un adeguato protocollo sperimentale;
- capacità di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta trattazione statistica;
- capacità di redigere un resoconto scientifico in modo chiaro utilizzando una notazione scientifica corretta.

Knowledge and understanding:
- knowledge of the basic concepts regarding the nature of light, the atomic structure and nuclear physics in order to understand some of the most important experimental techniques for the characterization of materials;
- understanding of the functionalities of laboratory equipment and of
relevant experimental techniques for the characterization of materials;
- knowledge of an experimental methodology to correctly carry out measurements and data acquisition/analysis in order to extract parameters characterizing materials.
Applying knowledge and understanding:
- ability to understand and manage fundamental physical models to interpret physical phenomena on atomic scale
- ability to evaluate the order of magnitude of the physical observables, to perform basic calculations and to solve simple problems relevant the properties of materials;
- ability to take experimental measurements, using modern instrumentation and adopting a suitable experimental protocol;
- ability to interpret the experimental data using a correct statistical data
analysis;
- ability to write a clear scientific report, using correct scientific
terminology

Oggetto:

Modalità di insegnamento

L'insegnamento è di 8 CFU, di cui 6.5 CFU (corrispondenti a 52 h) di lezioni frontali e 1.5 CFU (corrispondenti a 24 h per studente) di attività in laboratorio; queste ultime si svolgeranno al termine delle lezioni frontali. 

Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

Argomenti trattati nelle lezioni frontali:

Statistica classica e statistiche quantistiche

  • Statistica di Boltzmann, 
  • Statistica di Bose Einstein: applicazioni al problema del corpo nero,cenni delle tecniche di colorimetria e termografia; principi difunzionamento del laser.
  • Elementi di spettroscopia ottica, colorimetria e termografia
  • Statistica di Fermi-Dirac: applicazione al modello del gas di elettroni
  • nei metalli.
  • La natura corpuscolare della luce:
  • quantizzazione dell'energia del campo elettromagnetico
  • effetto fotoelettrico
  • effetto termoionico

La natura ondulatoria della materia

  • Lunghezza d'onda di De Broglie; la relazione di indeterminazione
  • La funzione d'onda elettronica; elementi di diffrazione elettronica
  • Effetto Tunnel; cenni della microscopia tunnel a scansione (STM)

Elementi di Fisica Atomica

  • L'atomo di Bohr
  • Atomo di idrogeno, orbitali atomici, momento angolare orbitale e di spin.
  • Atomi multi elettronici.
  • Struttura della tavola periodica degli elementi
  • Magnetismo atomico - effetto Zeeman
  • Raggi X caratteristici

Elementi di fisica del nucleo

  • proprietà del nucleo
  • decadimenti radioattivi;
  • Le reazioni nucleari

Attività in laboratorio.
Le attività in laboratorio sono organizzate in 6 sessioni da 4 ore. Gli studenti iscritti all'insegnamento si distribuiranno in gruppo di 3 (max 4) membri.Ogni gruppo eseguirà tre fra le esperienze qui elencate:

  • Tecniche di fabbricazione e di misura delle basse pressioni.
  • Spettroscopia ottica e colorimetria
  • Spettroscopia di raggi x
  • Diffrazione ottica
  • Verifica della legge di Stefan Boltzmann

The course is structured in lectures (52 h) and laboratory activities (24
h/student).

The participation to the frontal lectures is not compulsory.
The participation to the ithe laboratory is  mandatory for at least 70% of the time devoted to laboratory activities

Topics:

Classical and quantum statistics

  • Statistical mechanics:
  • Boltzmann statistics .
  • Bose Einstein statistics: applications to the black body problem:
  • introduction to colorimetry and thermography; principles of laser.
  • Fermi-Dirac statistics: electron gas in metal.

The corpuscular nature of light.

  • The photon
  • Photoelectric effect
  • Thermoionic effect

The wave nature of matter

  • De Broglie’s hypotheses; Heisenberg uncertainty principle
  • The electron wavefunction: elements of electron diffraction.
  • Tunnel effect; elements of scanning tunneling microscopi (STM).

Elements fo atomic physics

  • The Bohr atom
  • The hydrogen atom: atomic orbitals; orbital and spin angular
  • momentum.
  • Multi electron atoms: elements of the photoemission techniques
  • (ESCA).
  • The periodi table.
  • The atomic magnetism; Zeeman effect

Elements of nuclear physics

  • Nuclear structure
  • Radioactive decay.
  • Nuclear reactions

Experimental activities:
The laboratory activities are organized in 6 sessions of 4 hours each.
Each student group will follow three among the activities listed below:

  • Vacuum techniques
  • Optical spectroscopy in transmittance and reflectance
  • Colorimetry
  • Optical diffraction
  • x-ray spectroscopy
  • Stefan-Boltzmann law
Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento si articolerà in tre valutazioni:

valutazione delle attività di laboratorio

tale valutazione è volta a verificare la capacità dello studente  ad utilizzare con procedure appropriate la strumentazione di laboratorio per la caratterizzazione dei materiali. Lo strumento di verifica è un rapporto tecnico delle attività svolte in laboratorio, redatto da ogni gruppo di lavoro. La relazione dovrà essere consegnata (in formato elettronico) entro una settimana dal termine delle attività di laboratorio. Eventuali ritardi saranno penalizzati in sede di valutazione. Entro una settimana dalla consegna delle relazioni i gruppi di lavoro verranno invitati a discutere le relazioni. La discussione verterà sull’analisi della relazione, in termini di uso corretto della notazione scientifica, uso corretto del protocollo di misura, adeguata analisi statistica dei dati. E’ richiesta la presenza  di almeno un rappresentante per gruppo. La valutazione finale sarà comune a tutti i membri del gruppo. La valutazione ha una validità di 24 mesi.

valutazione della prova scritta

tale valutazione è volta a verificare la capacità dello studente  ad applicare correttamente i modelli fisici fondamentali per l'interpretazione dei fenomeni su scala atomica, padroneggiare gli ordini di grandezza delle osservabili fisiche, svolgere calcoli elementari per risolvere semplici problemi riguardanti le proprietà dei materiali.  La prova scritta consiste in 6 esercizi simili a quelli svolti a lezione; questi ultimi sono riportati alla voce "esercizi" nel materiale didattico. La durata della prova scritta è di 2 ore. Non sarà consentito portare alla prova scritta libri o appunti; saranno disponibili dati essenziali (e.g. costanti fondamentali, tabella periodica degli elementi ed alcune formule fondamentali disponibili nelle pagine finali dell'eserciziario) per poter svolgere gli esercizi. La valutazione della prova scritta sostenuta in una sessione d'esame vale per tutta la sessione e solo per quella. Nel caso ci siano due appelli nella stessa sessione lo studente che superi entrambi gli scritti della sessione può presentarsi all'orale scegliendo la valutazione più favorevole.

PROVA SCRITTA DEL 01.07.2015

valutazione della prova orale

tale valutazione è volta a verificare la conoscenza dei modelli fisici fondamentali sulla natura corpuscolare della luce, struttura dell’atomo e dei concetti fondamentali della fisica del nucleo ed a verificare la capacità di esporre le tecniche sperimentali ed i modelli interpretativi delle attività svolte in laboratorio. Per accedere alla prova orale e' necessario aver superato nella stessa sessione una prova scritta con almeno 18/30 (in caso di aver sostenuto più di una prova scritta nella stessa sessione, verrà considerata solo quella con esito migliore) ed aver ottenuto una valutazione di almeno 18/30 delle attività di laboratorio. La prova orale consisterà in una domanda relativa alle esperienze in laboratorio ed una domanda sugli argomenti trattati a lezione.

Il voto finale sarà la media delle valutazioni (espresse in trentesimi) riportate nelle tre prove.

 Il calendario delle sessioni d’esame è riportato nella piattaforma ESSE3. Sessioni straordinarie possono essere richieste solo da studenti in prossimità di discutere la tesi e aventi questo come ultimo esame.

 

 

The exam is structured in three parts:

Laboratory reports:

This exam is aimed to verify the student abilities to properly use the instrumentation and data analysis techniques for the material characterization. The laboratory groups will have to present their group-based laboratory reports to the teacher within one week from the conclusion of the laboratory sessions. Any delay will be penalized in the assessment. Within one week from the report delivery, the groups will be invited to discuss the report. The discussion will be about the correct use of the scientific notation, of the experimental protocol and of the statistical data analysis. The assessment is relevant to all the group members and its validity is 24 months.

Written Exam:

The exam is aimed to verify the ability of the student to properly apply the fundamental physical models for the physical phenomena at the atomic scale, to master the order of magnitude of the physical observables and to solve problems relevant to material properties. The exam consists in 6 exercises similar to those presented during the course, which are available in the web page (esercizi); the duration of the exam is 2 hours. Students will not be allowed to carry books or notes; synthetic notes (with fundamental constants, periodic table of elements, several fundamental formulas, available at the end of “esercizi”) will be available to support the students in the exam. The written exam taken in a session is only valid for that session. If two exams are scheduled in a session, a student that took both exams can undertake the oral exam after choosing the highest of the two marks.

Oral Exam:

This exam is aimed to verify the knowledge of the fundamental physical models relevant to the corpuscular nature of light, structure of atoms and nuclei, and to verify the ability to properly show the experimental techniques and the interpretative models of the laboratory activities. Only students with a sufficient evaluation of their laboratory reports (>18/30) and of the written exam (>18/30) will be admitted to the oral exam. The exam will be focused on the physics, the instrumentation and the results obtained from the analysis of acquired data, relatively to the laboratory experience performed by the student and one question on topics presented during the course lectures.

The final mark will result from the average of the marks obtained in the 3 above-mentioned exams (evaluation of the laboratory reports, written exam, oral exam).
The calendar of exams sessions is shown on the ESSE3 website.
Extraordinary sessions can be granted to students only if they are close to their thesis dissertation, and if they don't have any courses left to follow and only one exam left to undertake.

 

Oggetto:

Programma

  • Lezione I:

    • Spettro di corpo nero: [2] 49-1.

    • Trattazione di Planck dello spettro di corpo nero: [2] 49-2, Esempio 2, 49-3, DISPENSE.

    • ESERCIZI sul corpo nero.

  • Lezione II:

    • Effetto fotoelettrico: [2] 49.5-49.6.

    • ESERCIZI sull’effetto fotoelettrico.

    • Proprietà dei fotoni: DISPENSE.

    • Breve ripasso: equazione delle onde elettromagnetiche, interferenza e diffrazione.

  • Lezione III:

    • Comportamento ondulatorio delle particelle: [2] 50-1.

    • L'ipotesi di de Broglie: [2] 50-2.

    • ESERCIZI sulla lunghezza d'onda di de Broglie.

  • Lezione IV:

    • La funzione d'onda e suo significato fisico: [4] capitoli 1-2.

    • Operatori ed equazione di Schrödinger: [4] capitolo 3.

    • Valor medio delle quantità fisiche, deviazione standard, equazione agli autovalori: [4] capitolo 4.

  • Lezione V:

  • Lezione VI:

  • Lezione VII:

    • ESERCIZI sull’effetto tunnel.

    • Oscillatore armonico: trattazione classica, equazione di Schrödinger, operatori di creazione e distruzione, livelli energetici: [4] capitoli 10.1-10.2.

  • Lezione VIII:

    • Oscillatore armonico quantistico: funzioni d’onda, confronto la buca di potenziale: [4] capitolo 10.3.

    • Spettro dell’atomo d’idrogeno, l’atomo d’idrogeno nella trattazione di Rutherford e di Bohr: [2] 51-1 fino all’equazione (4), pag 1159, [4] capitolo 11.1.

  • Lezione IX:

  • Lezione X:

    • L’atomo d’idrogeno quantistico: regole di quantizzazione, funzioni d’onda, livelli energetici, dimostrazione della formula di Rydberg: [4] capitoli 11.2.4-11.2.5-11.2.6.

  • Lezione XI:

    • L’atomo d’idrogeno quantistico: momento angolare e momento magnetico: [2] 51-3, Esperimento di Stern e Gerlach: [2] 51-4, lo spin dell'elettrone: [2] 51-5.

  • Lezione XII:

    • L’atomo d’idrogeno quantistico: numeri quantici dell'atomo d'idrogeno: [2] 51-6.

    • Sdoppiamento delle linee spettrali, struttura fine: [2] 51-9.

    • Effetto Zeeman: [2] 51-9 (fino a pag. 1178).

    • ESERCIZI sull’atomo d'idrogeno quantistico.

  • Lezione XIII:

    • Spettro a raggi X degli atomi: [2] 52-1.

    • ESERCIZI sullo spettro a raggi X degli atomi.

    • Classificazione degli elementi di Moseley: [2] 52-2.

  • Lezione XIV:

    • Regole per la costruzione degli atomi: [2] 52-3.

    • Struttura della tavola periodica, configurazioni elettroniche, Energia di ionizzazione, transizioni ottiche: [2] 52-4.

    • ESERCIZI sulla costruzione degli atomi.

  • Lezione XV:

    • Introduzione alla meccanica statistica: [1] 10.1.

    • L'equilibrio statistico: [1] 10.2.

    • La ditribuzione di Maxwell-Boltzmann: [1] 10.3 fino alla fine, Esempio 10.1.

    • Significato fisico di α e β: [1] 10.4 fino alla fine.

  • Lezione XVI:

    • La ditribuzione di Fermi-Dirac: [1] 13.2, Esempio 13.1.

    • La ditribuzione di Bose-Einstein: [1] 13.5, Esempio 13.4.

    • Spettro di corpo nero come gas di fotoni: [1] 13.6, DISPENSE.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

 [1] M.Alonso, E.J.Finn, Fundamental University Physics, Vol. III, Quantum and Statistical Physics, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 12th ed., 1980.

[2] Halliday-Resnick-Krane, Fisica 2, Casa Editrice Ambrosiana, 2002.

[3] L. Colombo, Elementi di Struttura della materia, Hoepli-Milano, 2002.

[4] "Introduzione alla meccanica quantistica", dispense fornite dal docente e disponibili alla voce "Materiale Didattico".

 [1] M.Alonso, E.J.Finn, Fundamental University Physics, Vol. III, Quantum and Statistical Physics, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 12th ed., 1980.

[2] Halliday-Resnick-Krane, Fisica 2, Casa Editrice Ambrosiana, 2002

[3] L. Colombo, Elementi di Struttura della materia, Hoepli-Milano, 2002

[4] Lecture notes



Oggetto:

Orario lezioni

Lezioni: dal 28/09/2016 al 09/06/2017

Nota: Per l'orario dettagliato consultare la pagina "Orario Lezioni"
http://stmateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl

Oggetto:
Ultimo aggiornamento: 05/05/2017 09:30